熱處理和調節pH改性乳清蛋白濃縮物對攪打稀奶油加工性質的影響

孫顏君，莫蓓紅，鄭遠榮，石春權，朱　培，焦晶凱，劉振明（乳業生物技術國家重點實驗室，光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海200436）

熱處理和調節pH改性乳清蛋白濃縮物對攪打稀奶油加工性質的影響

孫顏君，莫蓓紅，鄭遠榮，石春權，朱培，焦晶凱，劉振明*
（乳業生物技術國家重點實驗室，光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海200436）

通過熱處理和調節pH對乳清蛋白濃縮物80（Whey protein concentrate，WPC80）進行改性處理，并將改性后的WPC80添加至低脂稀奶油中，以改善其攪打性質。結果表明調節WPC80溶液的pH為3，在80℃下加熱15min時具有最佳的溶解性和起泡性，相同pH條件下，不同的熱處理時間會對溶解性和起泡性產生不同的影響；將熱處理和pH改性后WPC80加入攪打稀奶油中，研究發現不同熱處理時間，pH為5改性的WPC80可以顯著提高攪打稀奶油的打發率（p＜0.05），但是pH為7處理的WPC80使稀奶油的泡沫穩定性增加了154.67%～193.42%。因此可通過熱處理和調節pH改性的WPC80來提高低脂稀奶油的攪打特性，且此操作方法簡單易行。

熱處理，pH，乳清蛋白濃縮物80，低脂攪打稀奶油

乳清蛋白營養組成豐富，且具有較好的加工特性，在食品中有較為廣泛的應用。乳清中含有多種功能性蛋白，如β-乳球蛋白（β-Lg）、α-乳白蛋白（α-La）、免疫球蛋白和乳鐵蛋白等，這些蛋白多為球狀蛋白，其疏水基團使其能很好的吸附于油/水或者氣/水界面，從而保持乳狀液和泡沫的穩定性［1-2］。對蛋白結構進行修飾可以提高和改善其功能性質。Zisu等［3］研究了超聲波處理對乳清蛋白濃縮物（Whey protein concentrate，WPC）物理和加工特性的影響，結果表明WPC的凝膠能力顯著提高；Nicorescu等［4］采用80℃熱處理對乳清蛋白分離物（Whey protein isolate，WPI）進行改性，研究發現80℃熱處理可以改善WPI的起泡性，稀奶油的脂肪含量會影響其攪打特性，通常脂肪含量為30%～40%時，易于攪打，且產生的泡沫細膩、穩定性好，但含脂率低于30%時，攪打性能降低［5］。研究表明，低脂肪飲食是治療肥胖Ⅱ型糖尿病一種有效的方法［6］。因此，開發出脂肪含量較低且攪打性能較好的稀奶油是稀奶油研究的重要方向。Camacho等［7］研究表明添加不同比例的刺槐豆膠和角叉膠可以改善低脂稀奶油的攪打特性。Padiernos等［8］研究了乳清蛋白超高壓改性后對低脂攪打稀奶油性質的影響。本研究采用熱處理和調節pH對WPC80進行改性，并研究了加入改性后WPC80對低脂稀奶油的物理和攪打特性的影響。與超高壓處理相比，熱處理和調節pH處理方式簡單易行；與添加膠體相比，WPC80不僅改善稀奶油的攪打性質，還可以提高產品的蛋白含量，從而擴大產品的應用范圍。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮稀奶油上海光明乳業乳品四廠；乳清蛋白濃縮物WPC80新西蘭恒天然集團提供；UHT脫脂奶光明乳業乳品二廠；氫氧化鈉、鹽酸分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

Mastersizer3000激光粒度分析儀英國馬爾文儀器有限公司；IKAT25高速剪切分散機德國IKA公司；DV-Ⅲ黏度計美國Brookfield公司；TA-XTplus物性儀英國Stable Micro Systems有限公司；Labconco冷凍干燥機美國Labconco公司；3K-15離心機德國Sigma公司；SP-754PC分光光度計。

1.2實驗方法

1.2.1WPC80的改性處理參考Sajedi等［9］的方法并略加改進。配制10%（w/v）的WPC80溶液，于室溫下攪拌2h，然后置于4℃冰箱中冷藏過夜以使WPC80充分溶解。取溶解好的WPC80溶液用1mol/L HCl或1mol/L NaOH調節pH至3.0、5.0和7.0，且過15min再次測定各個溶液的pH，確保溶液pH保持不變。在80℃下水浴分別處理WPC80溶液5、15、30min，隨之將其快速冷卻并置于4℃冰箱冷藏，待樣品溫度達到4℃左右時，置于-18℃冰箱中進行冷凍4h，再于-45℃進行冷凍干燥，干燥時間為24h。其中，未進行任何處理的WPC80溶液同樣條件下處理后作為對照樣品。

1.2.2低脂攪打稀奶油的制備取脂肪含量為40%的新鮮稀奶油，按照一定的比例邊攪拌邊加入UHT脫脂奶，標準化至稀奶油脂肪含量為30%，其中將1.2.1中經熱處理和調節pH的WPC80粉末按照3%（w/v）的比例加入脂肪含量為30%的稀奶油中，另取1.2.1中的對照WPC80加入稀奶油作為對照樣品。加入WPC80后，將稀奶油于85℃下保溫5min，迅速將樣品冷卻至50℃后10MPa均質處理。然后將樣品置于4℃冰箱中進行老化，以促使脂肪晶體的形成，從而提高稀奶油的攪打性。

1.2.3熱處理和調節pH改性后對WPC80加工性質的影響

1.2.3.1溶解性測定改性后WPC80溶解性的測定參考孫顏君等［10］的方法，取10g溶液于50mL的離心管中，在室溫下4400×g離心10min，取上清液5g置于預先恒重的平板上，同時稱取未離心的原樣5g于預先恒重的平板，將平板同時于105℃的烘箱中烘干4h至恒重。取出后于干燥器中冷卻至室溫。分別計算上清和原樣的固形物質量分數，則溶解性（Solubility，S）即為

其中，A表示上清液中固形物的質量分數，B表示原樣中固形物質量分數。

1.2.3.2粒徑測定配制1%（w/v）的WPC80溶液，于室溫下攪拌2h，然后置于4℃冰箱中冷藏過夜以使WPC80充分溶解。采用馬爾文激光粒度分析儀Mastersizer3000中濕法測定WPC80溶液的粒徑，其中WPC80和介質水的折光系數分別設定為1.56和1.33，測定轉速為2000r/min，取D50代表WPC80粒徑大小。每個樣品測定三次，并取三次測定的平均值作為最終結果。

1.2.3.3濁度測定取1.2.3.2中配制的1%（w/v）WPC80溶液，用去離子水以1∶10的比例進行稀釋，采用分光光度計于600nm處測定吸光度值，并以吸光度值表示濁度［11］。

1.2.3.4起泡性測定起泡性的測定參考Nicorescu等［12］的方法并略加改進。取100mL 5%的WPC溶液于100mL量筒中，采用IKA T25高速剪切機11200r/min剪切2min，記錄剪切后溶液增加的體積，WPC的起泡力（Foaming Capacity，FC）即為

其中，V0為剪切完成時泡沫體積（mL）

將樣品在室溫下放置30min，記錄泡沫體積變化，計算泡沫穩定性（Foaming Stability，FS）

其中，V0為剪切完成時泡沫體積（mL），Vt為靜置30min后泡沫的體積。

1.2.4添加WPC80后低脂攪打稀奶油攪打特性的分析

1.2.4.1表觀黏度的測定將冷藏后的稀奶油取出后，采用黏度儀（Brookfield DV-Ⅲ）迅速測定其冷藏后的表觀黏度，選用64號轉子，測定時溫度為10～12℃，轉速為15r/min。

1.2.4.2打發率將600g在4℃預冷過的奶油倒入攪拌缸內，使用CS-BT搜拌器中速（約120r/min）進行攪打并計時，以稀奶油能夠形成堅挺的錐形為攪打終點，測定其打發率。打發率計算公式如下：

式中：M1為同體積未攪打的攪打鮮奶油的質量，g；M2為同體積攪打好的攪打鮮奶油的質量，g。

1.2.4.3泡沫穩定性取攪打好的稀奶油泡沫5g，置于40目格網上，并在30℃下恒溫箱中保持1h，測量1h內滴下的液體質量占總質量的比率（%）。

1.2.4.4硬度測定采用SMS公司的TA-XTplus型物性儀測定稀奶油所形成泡沫的硬度，取打發完成后稀奶油立即置于模具中，其中選用HDP/SR-TTC探頭進行測定。測定參數設定參考趙謀明等［13］的方法：測試前探頭行進速度和測試中探頭行進速度都為1mm/s，探頭回程速度為5mm/s；測定距離為30mm，觸發力為Auto-5g，數據獲取率為200pps；每個樣品至少平行測定三次，取平均值作為樣品的硬度值（g）。

1.2.5數據分析每組實驗重復測定3次，最后結果以均值+標準方差（mean±SD）表示。采用SPSS 18.0軟件對實驗結果在p＜0.05水平上的顯著性進行分析。

2　結果與分析

2.1不同pH和熱處理時間WPC性質的影響

2.1.1不同pH和熱處理時間對溶解性的影響由圖1可知，熱處理和調節pH可以不同程度的改變WPC80的溶解性。與對照樣品相比，pH為5顯著降低了WPC80的溶解性（p＜0.05）。在相同pH條件下，不同的熱處理時間會對溶解性產生不同的影響，在pH為7時，隨著熱處理時間的延長，溶解性由93.43%降低至88.50%，但在pH為5的條件下，呈現相反的變化趨勢。在低離子強度和室溫下，乳清蛋白制品具有較高的溶解性。乳清蛋白由α-La、β-Lg、免疫球蛋白等組成，由于各個組分的等電點（pI）不同，因此乳清蛋白的pI具有一定的變化范圍（pI在4.5～5.5之間變化）［5］。Wong等［14］研究表明，蛋白的溶解性在pI處最低，這是因為在pI處蛋白質分子所帶的靜電荷量最小，從而蛋白質與水的相互作用力下降。但由圖1中看出所有的pH處理WPC80的溶解性都不同程度的降低，主要是因為高溫會使蛋白變性，熱處理后，肽鏈舒展結構發生變化，大量疏水基團暴露在蛋白質表面，蛋白質發生熱變性，從而溶解性下降［15］。

圖1　不同pH和熱處理時間對WPC80溶解性的影響Fig.1　Effect of thermal treatment and pH on the solubility of WPC80

2.1.2不同pH和熱處理時間對粒徑的影響當WPC80完全溶解后，WPC80溶液中粒徑為1.487μm（如圖2中對照樣品）。熱處理和調pH后，WPC80的粒徑都顯著（p＜0.05）的增加，其中pH為5的溶液中粒徑為46.54～49.13μm，其次pH3溶液中WPC80的粒徑為29.27～34.70μm，pH為7的溶液中WPC80的粒徑范圍最小，為20.01～22.31μm。在相同pH條件下，不同的熱處理時間對粒徑的影響不同。pH為5，熱處理15min的WPC80的粒徑最大，為49.13μm。蛋白溶液的粒徑大小及其分布可以一定程度反映蛋白的聚合情況。Nicorescu等［1］研究了熱處理對β-Lg性質的影響，結果發現，在68～75℃的范圍內，乳清蛋白中二級聚合物分散同時形成蛋白單體。但隨著處理溫度和時間的延長，重新形成二聚物和低聚物。當溫度超過75℃時，乳清蛋白中會形成多聚物，并形成β-Lg與α-La的共聚物。pH和熱處理時間會影響蛋白質中單體/多聚物的比例，從而影響蛋白質的粒徑分布，因此為得到良好的乳清蛋白結構，需選用合適的pH和熱處理時間［16］。

圖2　不同pH和熱處理時間對WPC粒徑的影響Fig.2　Effect of thermal treatment and pH on the particle size of WPC80

2.1.3不同pH和熱處理時間對濁度的影響pH為5的溶液中，濁度范圍為0.882～0.974，且隨著熱處理時間的延長，濁度變小；pH為3的WPC80溶液中，濁度較小，與對照樣品沒有顯著差異（p＞0.05）。由溶解性和粒徑的結果可知，在pH為5條件下，WPC80的溶解性最小且粒徑較大，相應的，所有樣品稀釋相同倍數后在同一條件下測定顯示，pH為5的WPC80溶液的濁度最大，進一步證明了在pH為5時，蛋白的變性程度較大，更多的疏水基團暴露，各個疏水基團間相互作用，從而形成蛋白聚合物。

圖3　不同pH和熱處理時間對WPC溶液濁度的影響Fig.3　Effect of thermal treatment and pH on the turbidity of WPC80

2.1.4不同pH和熱處理時間對起泡性的影響由表1可知，與對照樣品相比，熱處理和改變pH后，WPC80溶液的FC和FS都有不同程度的提高。其中，pH3溶液熱處理30min后，FC較對照樣品提高了119.35%。這主要與WPC80變性后蛋白結構的變化有關。Zhu和Damodaran等［17］研究表明溫和的熱處理能夠提高WPI的起泡性，相反，過度的熱處理會降低蛋白的加工性質。Zhu等［17］還指出熱處理后WPI中蛋白單體/聚合物的比例會影響其起泡性，未變性的乳清蛋白能夠快速的吸附于氣泡表面，從而增加了起泡性，然而熱處理后部分變性的WPI有助于形成較穩定的泡沫結構，當變性和未變性的蛋白比例為3∶2時，WPI具有最好的起泡性。單體種類的不同會影響形成泡沫的能力，但多聚體的種類卻會對泡沫的穩定性產生影響。

表1　不同pH和熱處理時間對WPC80起泡性的影響Table 1　Effect of thermal treatment and pH on the foaming ability of WPC80

圖4　加入改性后WPC80對攪打稀奶油黏度的影響Fig.4　Effect of modified WPC80 on the viscosity of whipping cream

2.2熱處理和pH處理改性WPC80對攪打稀奶油特性的影響

2.2.1黏度將熱處理和調節pH改性后的WPC80和未經改性的WPC80加入攪打稀奶油中，比較后發現，改性后的WPC80可以顯著（p＜0.05）提高攪打稀奶油的黏度。與對照樣品相比，加入pH為3的WPC80的稀奶油黏度提高了89.23%～186.54%。加入pH為5和7但是不同熱處理時間改性的WPC80后，熱處理時間對稀奶油的黏度沒有顯著影響（p＞0.05）。

這主要是因為不同pH和熱處理改變了WPC80中蛋白結構，增強蛋白間交聯作用，更易于形成網狀結構，從而使得WPC可以在稀奶油內部通過分子內的作用力形成網狀結構［16］。WPC的持水力對攪打稀奶油的黏度有重要影響，WPC的持水力越高，加入稀奶油后黏度相應提高。由2.1.2可知，在pH為3和7條件下處理WPC80后，形成的聚合物粒徑較小，從而持水能力較低。當pH為WPC的pI時（pH=4.5～5.5），WPC中形成較大的聚合物，具有較好的持水力，與對照樣品相比，黏度提高了32.61%～63.38%。

圖5　加入改性WPC80對攪打稀奶油打發率的影響Fig.5　Effect of modified WPC80 on the overrun of whipping cream

2.2.2打發率打發率是評價稀奶油質構特性和穩定性的有效指標。通常在最大打發率處稀奶油有最大的硬度和泡沫穩定性［18］。由圖5可知，熱處理時間和pH對打發率都有顯著影響。

在相同熱處理條件（85℃，15min）下，隨著pH由3增加至5，打發率相應的由89%增加至126%。且在pH為5處，增加至最大值，隨著pH繼續增加至7，打發率呈下降趨勢。相同pH條件下，不同熱處理時間的WPC80對稀奶油的打發率沒有顯著影響（p＞0.05）。

在不添加穩定劑的情況下，通常脂肪含量越高形成的攪打稀奶油性狀越好，但是如果脂肪含量過高，會產生較軟的質地，攪打后泡沫的結構也會被破壞或者變得不穩定［5］。改性后的乳清蛋白有助于脂肪球在氣泡表面形成合適的結構，當聚合的脂肪球形成的網狀結構將氣泡完全包裹時，攪打稀奶油就可以形成較為穩定的結構，從而在攪打過程中具有較好的打發性，并且所形成的泡沫具有較高的穩定性，這與Sajedi等［9］的研究結果一致。

圖6　加入改性WPC80后對攪打稀奶油泡沫穩定性影響Fig.6　Effect of modified WPC80 on the foam stability of WPC80

2.2.3泡沫穩定性泡沫穩定性即為完整的氣泡持續的時間，測定泡沫穩定性可以反映稀奶油質地等性質［8］。泡沫穩定性主要由連續的液相的性質和氣泡表面膜的粘彈性決定［16］。由圖6可知，隨著WPC80改性pH的升高，其加入稀奶油后泡沫穩定性相應的增加，相同的pH條件下，熱處理時間對稀奶油泡沫穩定性沒有顯著影響（p＞0.05）。在pH為7條件下，通過增加熱處理時間，泡沫穩定性稍有下降。其中與對照樣品相比，稀奶油中加入pH為7的WPC80后，泡沫穩定性增加了154.67%～193.42%。

在攪打稀奶油中，液相、固相和氣相三相的平衡有助于形成較好的泡沫結構。蛋白質作為穩定劑能夠影響攪打稀奶油的黏度，較高黏度的攪打稀奶油攪打后所形成的泡沫穩定性較差，這與2.2.1關于黏度的研究結果一致，相同的熱處理條件下，隨著加入的WPC80的pH降低，攪打稀奶油的黏度增加。這是因為蛋白質能夠在氣/液界面形成合適的界面膜，從而提高泡沫的穩定性，且蛋白中變性和未變性的蛋白質的比例會影響攪打稀奶油的起泡性和泡沫穩定性。未變性的蛋白質能夠在氣泡表面迅速伸展，并且可以和變性的蛋白質相互作用，使得變性蛋白更好在氣泡表面進行吸附，隨著大量蛋白包裹在泡沫表面，泡沫的結構越趨于穩定［2］。

2.2.4硬度在攪打稀奶油中添加了WPC80后均提高了稀奶油的硬度。且隨著加入的WPC80的pH的增加，攪打稀奶油的硬度也相應的增加，與對照樣品相比，添加了pH為5的WPC80后，稀奶油的硬度增加了92.35%～97.64%，添加pH為7的WPC80后，稀奶油的硬度增加了116.18%～148.14%。

圖7　加入改性后WPC80對攪打稀奶油硬度的影響Fig.7　Effect of modified WPC80 on the firmness of whipping cream

攪打稀奶油要在攪打過程中由一個粘稠的液體轉變為一個塑性固體，在攪打稀奶油的結構形成過程中很大程度依賴于部分附聚作用。在攪打過程中，空氣進入稀奶油中，形成了新的氣/水界面，從而脂肪球和蛋白吸附于這些界面的表面，形成膜結構。所形成的膜結構能夠很好地保持泡沫結構的穩定性。其中，膜結構的穩定性與吸附于其表面的蛋白結構密切相關。由以上研究可知，熱處理和改變pH后都會使得WPC80的蛋白內部交聯發生改變，形成聚合物，從而增加了稀奶油的硬度。

除了界面吸附的蛋白質和脂肪球性質外，液相的黏度也會影響質構的穩定性。增加WPC溶液的pH能夠降低攪打稀奶油的黏度，黏度的增加有助于提高稀奶油的攪打特性。較高pH處理的樣品在冷凍干燥過程中，形成了較大的聚合物，從而降低了進一步交聯的可能性，而低pH改性的WPC更易于交聯，進一步增加液相的黏度，加入到攪打稀奶油中有助于增強稀奶油的硬度。攪打后稀奶油泡沫硬度主要是由脂肪球部分凝結形成的半連續固態結構賦予的，稀奶油乳狀液脂肪球界面膜吸附的蛋白質數量增加使得脂肪球膜更完整，強度更大。從泡沫穩定性的結果也可以看出，隨著pH的降低和熱處理時間的延長，泡沫穩定性相應的增加。

3　結論

通過調節WPC80溶液的pH為3、5和7時，并結合80℃熱處理，可以改變WPC80的溶解性、粒徑和起泡性；經改性后的WPC80添加至低脂的攪打稀奶油，pH為5，80℃下熱處理30min的WPC80能夠顯著提高稀奶油的打發率、泡沫穩定性以及打發后稀奶油的硬度。

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Effect of thermal and pH modified whey protein concentrate on functionality of whipping cream

SUN Yan-jun，MO Bei-hong，ZHENG Yuan-rong，SHI Chun-quan，ZHU Pei，JIAO Jing-kai，LIU Zhen-ming*
（State Key Laboratory of Dairy Biotechnology，Dairy Research Institute，Bright Dairy and Food Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The effects of thermal and pH modified Whey protein concentrate（WPC80）on low-fat whipping cream was studied in this paper.The results showed that after adjusting pH of WPC80 solution to 3，and then heating at 80℃ for 15min，the WPC80 presented the best solubility and foaming ability.The solubility and foaming of WPC80 were different with the same pH and different thermal treated time.Adding thermal and pH 5 modified WPC80 to the low-fat whipping cream could improve the overrun of whipping cream significantly（p＜0.05）.But the foaming stability of whipping cream with pH 7 modified WPC80 increased by 154.67%～193.42%.In a conclusion，thermal and pH treatment modified WPC80 could improve the functionality of the whipping cream. Besides，the modified method was easy and operable.

thermal treatment；pH；WPC80；low-fat whipping cream

TS201.1

A

1002-0306（2015）02-0133-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.021

2014-04-10

孫顏君（1988-），女，碩士研究生，工程師，研究方向：乳品加工與技術。

劉振民（1974-），男，博士研究生，高級工程師，研究方向：乳品加工與技術。